АТМОСФЕРА

ЧЕТЫРЕ ЯРУСА АТМОСФЕРЫ

настоящее время атмосферу принято делить по вы­соте на четыре слоя: тропосферу, стратосферу, мезо - оферу и термосферу.

Тропосфера — ближайший к поверхности земли слой атмосферы. Толщина этого слоя не одинакова: над экватором она доходит до 16—18 километров, а над полю­сами 7—9. В тропосфере сосредоточено примерно 0,8 всей массы атмосферы и почти весь имеющийся в ат­мосфере водяной пар. Воздух в тропосфере постоянно перемешивается. Температура воздуха в этом слое пони­жается с высотой. В тропосфере происходит конденсация водяных паров. Здесь образуются туманы и облака, дож­ди и снегопады, грозы и метели, бури и ураганы, т. е. все те явления, которые определяют погоду. Естествен­но, что с практической точки зрения указанный слой представляет наибольший интерес. В тропосфере проведены многочисленные точные наблюдения над отдельными явлениями. Это — наиболее изученный слой атмосферы.

Над тропосферой расположен второй ярус атмосфе­ры — стратосфера; она простирается примерно до вы­соты 40 километров.

В стратосфере температура почти постоянна по высо­те или несколько повышается с высотой. В умеренных широтах температура в стратосфере в среднем равна 45—55 градусам ниже нуля.

Так как в стратосфере почти нет водяного пара, то в ней нет облаков тех видов, которые находятся в тропо­сфере. Лишь изредка там образуются упомянутые выше перламутровые и серебристые облака.

Стратосфера отделена от тропосферы переходным слоем толщиной 1—3 километра; его называют тропо­паузой. Высота тропопаузы не постоянна и колеблется в некоторых пределах по временам года. Летом тропо­пауза расположена выше, чем зимой.

С развитием реактивной авиации изучение стратосфе­ры приобрело большое практическое значение. Полеты в стратосфере имеют много преимуществ. Малая плот­ность воздуха позволяет значительно увеличивать ско­рость и дальность полетов самолетов. В стратосфере всегда безоблачно и ясно.

Выше стратосферы лежит мезосфера, в которой температура сначала возрастает с высотой до уровня 50—60 километров, а затем убывает.

Выше 80 километров расположена термосфера, тем­пература в которой неуклонно возрастает с высотой. Расчеты и наблюдения показывают, что температура здесь может достигать нескольких сотен и даже тысяч градусов. Нужно, однако, иметь в виду, что понятие тем­пературы в очень разреженной газовой среде, какую мы имеем в верхних слоях атмосферы, имеет несколько иное значение, чем обычное понятие температуры воздуха. Молекулы газов, входящих в состав атмосферного воз­духа, на больших высотах находятся на большом рас­стоянии друг от друга. И хотя эти молекулы движутся очень быстро, любое тело, попавшее в такую сильно раз­реженную среду, не будет нагреваться при соприкоснове­нии с окружающим воздухом, так как число частиц га­зов, ударяющихся об это тело и передающих ему свою энергию, слишком мало. Нагреваться тело в таких усло­виях будет лишь непосредственно от солнечных лучей.

Нагревание тела, находящегося в разреженной атмо­сфере, за счет поглощения им солнечного излучения, мо­жет быть очень большим. Так, при полетах советских стратостатов «СССР-1» и «Осоавиахим» температура воздуха в кабинах все время держалась без подогрева около +15 градусов, хотя температура наружного воз­духа была ниже —40 градусов. Объясняется это тем, что кабина стратостата все время вращалась, поочередно подставляя под лучи Солнца разные стороны. Последние были окрашены в различные цвета — черный и белый; при этом черная часть стенок кабины поглощала больше солнечной энергии и сильно нагревалась, а белая нагре­валась значительно меньше. При вращении кабины на­грев ее оставался постоянным на уровне 15 градусов тепла.

Известен случай, когда при полете стратостата швей­царского ученого Пикара в 1931 году поворачивающий кабину механизм отказал, и она оказалась повернутой к Солнцу все время одной стороной, окрашенной в черный цвет. В результате кабина так нагрелась, что температу­ра внутри нее поднялась до 38 градусов тепла.

Состав воздуха в термосфере также несколько отли­чается от приземного. В результате воздействия ультра­фиолетового излучения Солнца в термосфере молекулы азота и кислорода распадаются на атомы (диссоцииру­ют), появляются так называемые атомарные кислород и азот.

Кроме того, в термосфере, под действием разнообраз­ных видов излучения Солнца и звезд, происходит иони­зация.

Вспомним строение атомов.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных элек­тронов. В обычном, нормальном состоянии атома поло­жительный заряд его ядра и отрицательный заряд элек­тронов равны между собой и атом электрически ней­трален.

Но некоторые электроны в атоме непрочно связаны с ядром и поэтому в определенных условиях атомы и мо­лекулы могут терять один или несколько электронов. В этом случае они превращаются в положительно заря­женные частицы, а отделившийся электрон может при­соединиться к какому-нибудь другому нейтральному атому (молекуле) и образовать отрицательно заряжен­ную частицу.

Такие положительно и отрицательно заряженные частицы, атомы и молекулы, называют ионами, а процесс образования ионов называется ионизацией.

В результате ионизации в термосфере образуется не­сколько слоев, содержащих в значительном количестве ионизованные молекулы и атомы атмосферных газов, а также свободные электроны. Эти слои носят название ионосферы. Слои в ионосфере обозначают буквами ла­тинского алфавита. Вначале были обнаружены два слоя: слой Е, расположенный на высоте около 100 километров, и слой F, который находится на высоте около 200 кило­метров. Позднее было установлено, что слой F при неко­торых условиях в свою очередь делится на два слоя: Fi— йа высоте около 180—200 километров и F2—на высоте 230—250 километров. Кроме того, ниже, в пределах стра­тосферы, на высоте 50—65 километров в дневные часы суток иногда возникает еще один слой — слой D. Послед­ний не столько отражает радиоволны, сколько их поглощает.

Все эти слои, конечно, не имеют резко выраженных границ, они постепенно переходят один в другой.

Высоту ионизованных слоев определяли при помощи радиоволн. Направив вертикально вверх короткий радио­сигнал, мы можем определить время, через которое он вернется обратно к земной поверхности после отражения от ионизованного слоя. Зная, что радиоволны распро­страняются со скоростью света, т. е. около 300 ООО кило­метров в секунду, можно подсчитать высоту слоя, от ко­торого отразился посланный нами радиосигнал.

Представляя собой сильно разреженную газовую среду, содержащую большое число ионов и свободных электронов, ионосфера хорошо проводит электричество. Короткие радиоволны, достигая ионизованных слоев, от­ражаются от них и возвращаются к земле. Благодаря многократному отражению от ионизованных слоев и зем­ной поверхности радиоволны пробегают огромные рас­стояния и могут огибать весь земной шар.

В ионосфере совершается много интересных явлений природы. Временами мы наблюдаем полярные сияния, свечение ночного неба, «падающие звезды»— метеоры.

Ученым удалось установить, что в спектре свечения ночного неба есть много линий и полос поглощения, характерных для различных газов. По этим линиям и полосам в высоких слоях атмосферы и были обнаружены атомарный кислород, натрий и атомарный азот. Оказа­лось, что спектр свечения ночного неба во многом сходен со спектром полярных сияний.

О строении высоких слоев атмосферы мы узнаем так­же из наблюдений за метеорами. В атмосферу Земли постояннно влетают твердые частицы из межпланетного пространства. Как правило, они очень малы. Влетая в земную атмосферу с огромной скоростью, частицы стал­киваются с молекулами воздуха, сильно разогреваются и начинают ярко светиться. Большинство частиц пол­ностью «сгорает», распыляется в воздухе; лишь в отдель­ных, редких случаях, когда космический «гость» имеет большие размеры, он не успевает полностью «сгореть» при полете в атмосфере и достигает земной поверхности. На землю падает метеорит.

Метеор оставляет в атмосфере след, состоящий из рас­каленных газов и пыли. Этот след сохраняется некоторое время и перемещается вместе с воздушным потоком. На­блюдая за ним, можно судить о скорости и направлении ветра на той высоте, где появился след метеора. Чаще всего метеоры становятся видимыми на высотах от 200 до 120 километров и потухают на высотах от 100 до 30 километров. Это говорит о том, что до высоты 200 километров атмосфера имеет еще достаточную плотность.

В последнее время за метеорами наблюдают при по­мощи радиолокационных[16]) станций. Метеорные частицы и их следы отражают очень короткие электромагнитные волны порядка 30 сантиметров и менее. С помощью осо­бого электромагнитного прибора конструкции проф. Ка­лашникова можно заметить появление самого маленько­го метеора в любую погоду.

Изучение следов метеоров в ионосфере показало, что в ней дуют постоянные сильные западные ветры.

Внешняя часть термосферы, расположенная выше 800 километров, называется экзосферой, или сфе­рой рассеяния. В этом слое газы настолько разре­жены, что их частицы находятся на больших расстоя­ниях друг от друга. Скорости движения газовых молекул в сфере рассеяния так велики, что молекулы начинают преодолевать земное притяжение и улетают в меж­планетное пространство.

Таким образом, из сферы рассеяния хотя и медлен­но, но непрерывно идет утечка газов в мировое простран­ство. Больше всего рассеиваются частицы легких газов— водорода, гелия, неона. Верхнюю границу сферы рас­сеяния установить трудно, так как она постепенно пере­ходит в межпланетное пространство.

Если говорить о распределении массы атмосферного воздуха по высоте применительно к указанным четырем слоям атмосферы, то оказывается, что около 4/s всей массы атмосферы находится в тропосфере и около Уб — в стратосфере. В мезосфере находится не более 0,3%, а в термосфере — менее 0,05% всей массы атмосферы.

Таковы четыре яруса нашей атмосферы.

Рассмотренные нами характеристики различных слоев атмосферы не означают, что эти разные слои атмо­сферы совершенно изолированы друг от друга, что они существуют самостоятельно. Приведенное выше деление атмосферы «а несколько слоев в достаточной степени условно.

Мы уже говорили о том, что основную роль в раз­витии атмосферных процессов на Земле играет Солнце. Однако вопрос о солнечной активности[17]) в изменении погоды еще мало изучен, главным образом из-за того, что до последнего времени не было точных инструмен­тальных наблюдений над состоянием высоких слоев атмосферы. Сейчас этот пробел успешно заполняется наблюдениями при помощи ракет и искусственных спут­ников Земли. Однако и с помощью обычных, ранее при­менявшихся наблюдений наукой установлены некоторые особенности атмосферных процессов в связи с солнеч­ной активностью. Такая связь, в частности, обнаружена при изучении солнечных пятен. Как известно, максимум пятен повторяется примерно через каждые 11 лет. Уста­новлено, что периодичность в изменении количеств сол­нечных пятен обусловливает и периодичность некоторых явлений на Земле. Так, при увеличении числа пятен на Солнце, в тропиках, в зоне Азия — Австралия, наблю­дается понижение давления воздуха, а в зоне Америки и восточной части Тихого океана — повышение. Известно также, что наводнения в долине Нила повторяются через 22 года, т. е. через два периода между очередными максимумами солнечных пятен.

Как уже говорилось, излучение Солнца вызывает обра­зование ионизированных слоев в атмосфере Земли. Солн­це является также источником различных электриче­ски заряженных частиц — корпускул, выбрасываемых в межпланетное пространство. Наблюдения показывают, что приближение этих частиц к Земле вызывает в ее ат­мосфере целый ряд явлений. Возникают возмущения в магнитном поле Земли, появляются полярные сияния, нарушаются нормальные условия отражения радиоволи от ионосферных слоев.

Все виды солнечного излучения оказывают непосредственное влияние лишь на очень высокие слои атмосферы. Например, ультрафиолетовое излучение Солнца практически достигает поверхности Земли лишь в ничтожно малых количествах, поглощаясь по пути атмосферным воздухом и особенно входящим в его со­став озоном. Корпускулярное излучение также прони­кает в земную атмосферу лишь до высот порядка 60— 70 километров над земной поверхностью.

Однако в последние годы снова обращено внимание на то, что целый ряд явлений, наблюдающихся в ниж­них слоях атмосферы, все же связан с изменением сол­нечной активности. Помимо уже приводившихся примеров, обращает на себя внимание то, что в периоды мак­симумов- солнечной активности температуры в тропиче­ских поясах Земли приблизительно на полградуса ниже, чем в периоды минимумов. Неоднократно обнаружива­лась связь между солнечной активностью и числом гроз и т. д. Все это приводит к мысли, что в атмосфере Земли действует какой-то еще недостаточно исследованный ме­ханизм, обусловливающий связь изменений погоды на земном шаре с солнечной активностью.

В настоящее время есть предположение, что между верхними и нижними слоями атмосферы существует до­статочно интенсивный обмен, в процессе которого энер­гия, поглощаемая верхними слоями атмосферы, пере­носится в ее нижние слои. Однако выяснить этот вопрос можно лишь путем подробных исследований атмосферы по вертикали до больших высот.

Все это свидетельствует о том, что явления, происхо­дящие в атмосфере, нужно рассматривать в их взаимной связи друг с другом, в их зависимости друг от друга. Точно так же нельзя рассматривать атмосферу вне ее взаимодействия с Солнцем и земной поверхностью. Твердая, жидкая и воздушная оболочки Земли тесно связаны друг с другом.

Исследования последнего времени показывают, что ат­мосферу Земли трудно отделить от межпланетного прост­ранства. На верхние слои атмосферы, несомненно, дейст­вуют процессы, происходящие в мировом пространстве.